ガス中の不純物定量方法及び装置
【課題】不純物ガス濃度がきわめて微量であっても、不純物ガス濃度を正確に測定することのできるガス中の不純物定量方法及び装置を提供する。
【解決手段】ガスから不純物を除去してセル１５に導入し、そのセル１５を透過した光の光強度をリファレンスとして測定する。既知の濃度の不純物を含むガスを同一セル１５に導入して、同一温度、同一圧力に保って、セル１５を透過した光の光強度を測定し、前記２つの測定で得られた光強度の比から不純物の吸光度を求める。この不純物の吸光度を、不純物の濃度の関数としてメモリ２０ａに記憶しておく。濃度が未知の不純物を含むガスを同一体積のセル１５に導入して、同一温度、同一圧力に保って、セル１５を透過した光の光強度を測定し、この測定で得られた不純物の、前記リファレンスに対する吸光度を求め、この吸光度を前記関数に適用して、不純物の濃度を求める。
【解決手段】ガスから不純物を除去してセル１５に導入し、そのセル１５を透過した光の光強度をリファレンスとして測定する。既知の濃度の不純物を含むガスを同一セル１５に導入して、同一温度、同一圧力に保って、セル１５を透過した光の光強度を測定し、前記２つの測定で得られた光強度の比から不純物の吸光度を求める。この不純物の吸光度を、不純物の濃度の関数としてメモリ２０ａに記憶しておく。濃度が未知の不純物を含むガスを同一体積のセル１５に導入して、同一温度、同一圧力に保って、セル１５を透過した光の光強度を測定し、この測定で得られた不純物の、前記リファレンスに対する吸光度を求め、この吸光度を前記関数に適用して、不純物の濃度を求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス中に混入した不純物の濃度を定量する方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
赤外分光光度計を用いたガス中の不純物定量方法において、微量の不純物ガスの濃度を測定する場合、主成分ガスの赤外吸収ピークが、微量ガス成分の赤外吸収ピークを妨害し、測定が極めて困難であった。
そこで、アンモニアガス中の微量水分濃度を、アンモニアと水分の赤外吸収が重ならない波数で測定する方法が提案されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開2001-228085号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、前記のアンモニアと水分の赤外吸収が重ならない波数で測定する方法でも、不純物ガス濃度がきわめて微量の場合、不純物ガスの赤外吸収スペクトルが、赤外吸収スペクトルに埋もれてしまい、不純物ガス濃度の測定が困難となる。
そこで、本発明は、不純物ガス濃度がきわめて微量であっても、不純物ガス濃度を正確に測定することのできるガス中の不純物定量方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明のガス中の不純物定量方法は、前記ガスから不純物を除去して、セルに導入して、そのセルを透過した光の光強度を測定し、既知の濃度の不純物を含むガスを同一体積のセルに導入して、前記測定と同一温度、同一圧力に保って、セルを透過した光の光強度を測定し、前記測定で得られた光強度どうしを割って、不純物の吸光度を求め、この不純物の吸光度を、不純物の濃度の関数として記憶しておき、濃度が未知の不純物を含むガスを同一体積のセルに導入して、前記測定と同一温度、同一圧力に保って、セルを透過した光の光強度を測定し、前記測定で得られた光強度どうしを割って、不純物の吸光度を求め、この吸光度を前記関数に適用して、不純物の濃度を求める方法である。
【０００５】
この方法によれば、不純物ガスが除去された試料ガスの吸収光強度をリファレンス測定し、既知の濃度の不純物ガスを含む試料ガスを同一温度、同一圧力、同一体積という条件のもとに置いて、その吸収光強度を測定する。そして、これらの光強度比（対数にした場合は差）を算出して、不純物の吸光度を求め、不純物の濃度の関数として記憶しておく。次に、未知の濃度の不純物ガスを含む試料ガスを同一温度、同一圧力、同一体積という条件のもとに置いて、その吸収光強度を測定する。不純物の吸光度を求め、前記記憶した関数に適用すれば、不純物の濃度を求めることができる。
【０００６】
したがって、試料ガスの影響が除かれた、不純物のみの濃度を正確に測定することができる。
また、本発明のガス中の不純物定量装置は、前記ガス中の不純物定量方法を実施するための装置であって、ガスを導入するためのセルと、セルに光を照射する光源と、セルを透過した光の強度を測定する検出器と、前記セルを一定温度に保つ保温手段と、前記セル内のガスを所定の圧力に調整する圧力調整手段と、不純物濃度を測定したい試料ガスをセルに導入するための第一のガス導入系と、既知の濃度の不純物を含むガスをセルに導入するための第二のガス導入系と、第一のガス導入系に設けられた、試料ガスから不純物を除去するための不純物除去器と、不純物除去器によって不純物を除去した前記ガスをセルに導入して、セルを透過した光強度を測定する第一の光強度測定手段と、既知の濃度の不純物を含むガスを前記セルに導入して、セルを透過した光強度を測定する第二の光強度測定手段と、前記第一の光強度測定手段の測定で得られた光強度から、前記第二の光強度測定手段の測定で得られた光強度を割って、不純物の吸光度を求め、この不純物の吸光度を、不純物の濃度の関数として記憶しておく記憶手段と、濃度が未知の不純物を含むガスを前記セルに導入して、セルを透過した光強度を測定する第三の光強度測定手段と、前記第一の光強度測定手段の測定で得られた光強度から前記第三の光強度測定手段の測定で得られた光強度を割って、不純物の吸光度を求め、この不純物の吸光度を前記記憶手段によって記憶された関数に適用して、不純物の濃度を求める濃度測定手段とを備えるものである。
【０００７】
このガス中の不純物定量装置は、前記ガス中の不純物定量方法と同一発明に係る装置であり、簡単な手順で、試料ガスの影響が除かれた、不純物のみの濃度を正確に測定することができる。
前記光源、前記検出器は、別々に気密性容器に収納することが好ましい。こうすれば、前記気密性容器を容易に真空にでき、前記不純物の吸収スペクトルの波長範囲に吸収を示さないガスで満たすことができる。これにより、前記光源や検出器の汚染を防ぐことができるので、測定される不純物スペクトルは、汚染の影響を受けることがなくなる。したがって、測定誤差が発生するのを防ぐことができる。
【０００８】
前記第１の気密性容器と前記セルとのジョイント部は、前記セルを外した状態で、前記第１の気密性容器の気密性を保つことができるものであり、前記第２の気密性容器と前記セルとのジョイント部は、前記セルを外した状態で、前記第２の気密性容器の気密性を保つことができるものであることが好ましい。この構造によれば、気密性容器の気密性を保ったままセルを容易に交換することができる。
【０００９】
前記光源又は検出器に電源を供給する電源部は、前記第１の気密性容器及び前記第２の気密性容器の外部に設置されていることが望ましい。これにより、発熱源である電源部からの放熱の効率が低下するのを防ぐことができる。
また本発明は、前記第一の光強度測定手段、第二の光強度測定手段、記憶手段、第三の光強度測定手段、及び濃度測定手段の各機能を実現するコンピュータを備え、前記コンピュータは、前記第１の気密性容器及び前記第２の気密性容器の外部に設置されていることが望ましい。この場合も、この場合も前記電源部と同様、コンピュータからの放熱の効率が低下するのを防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、不純物を取り除いた試料ガス（リファレンス）の光強度を測定するための測定系を示す図である。
同図において、試料ガスの入った試料ボンベ１１は、ガスの流量を調節するマスフローコントローラ１２、不純物を取り除くための不純物精製器１３及び開閉バルブ１４を通して、ガスセル１５のガス入口ＩＮにセットされる。この経路を第一のガス導入系という。
【００１１】
一方、ガスセル１５のガス出口ＯＵＴには調整バルブ１６、負圧を作るバキュームジェネレータ１７（圧力エジェクタでもよい）がつながれている。バキュームジェネレータ１７には、空気又は窒素の高圧ガスボンベ２５が接続されている。
ガスセル１５は、図１に示すように、筒状の一定容積のセル室１５ａと、このセル室１５ａの両端面に設けられた光透過窓１５ｂ，ｃとからなっている。セル室１５ａには、前記ガス入口ＩＮ及びガス出口ＯＵＴが設けられ、さらにセル室１５ａ内の圧力を測定するための圧力トランスデューサ１８につながるポートが設けられている。
【００１２】
前記マスフローコントローラ１２、調整バルブ１６及び圧力トランスデューサ１８は、圧力制御部１９に接続されている。圧力制御部１９は、圧力トランスデューサ１８の圧力測定値に基づいて、試料ガスの流量と調整バルブ１６の開閉度を調整することにより、ガスセル１５内の圧力を所定の圧力に保つ。
前記光透過窓１５ｂ，ｃは、例えば赤外線を透過させるサファイヤ透過窓である。
【００１３】
前記ガスセル１５は、所定温度に保ちやすいように、発泡スチロール等の断熱材（図示せず）で包囲されている。またガスセル１５の全体は、後述する赤外線光源Ｇ、分光器あるいは干渉計Ｓ、赤外線検出器Ｄとともに、保温容器（図示せず）に収納されている。保温容器内は、ヒータ又はペルチェ素子などにより一定温度に保たれる。
符号Ｇは、赤外線光源Ｇを示す。赤外線発生の方式は、任意のものでよく、例えばセラミックスヒータ（表面温度４５０℃）等が使用可能である。また、赤外線の波長を選択するための分光器あるいは干渉計Ｓが設けられている。なお、赤外線光源Ｇで発生した光を一定周期でしゃ断し通過させる回転するチョッパ（図示せず）を付加してもよい。
【００１４】
赤外線光源Ｇから照射され、前記光透過窓１５ｃを通してガスセル１５に入った光は、前記光透過窓１５ｂを通してガスセル１５から出射され、赤外線検出器Ｄによって検出される。前記赤外線検出器Ｄは、ＤｔＧｓ検出器（重水素トリグリシンサルフェイト検出器）、ＩｎＡｓ検出器又はＣＣＤ素子などからなる。
赤外線検出器Ｄの検出信号は、吸光度／濃度測定部２０により解析される。この解析方法は後述する。
【００１５】
なお、圧力制御部１９及び吸光度／濃度測定部２０は、パーソナルコンピュータから構成される。圧力制御部１９、吸光度／濃度測定部２０の処理機能は、ＣＤ−ＲＯＭやハードディスクなど所定の媒体に記録されたプログラムを、パーソナルコンピュータが実行することにより実現される。また、吸光度／濃度測定部２０に接続されるメモリ２０ａは、ハードディスクなどの記録媒体内に作られた、書き込み可能な設定ファイルにより実現される。
【００１６】
以上の測定系において、試料ボンベ１１に蓄えられた試料ガス（例えばアンモニアガス）は、不純物精製器１３の中の不純物吸収剤（例えばシリカゲルのような水分を吸収する薬品）によって、不純物（例えば水分）が除去され、ガスセル１５の中に導かれる。
ガスセル１５の中は、圧力トランスデューサ１８により圧力測定されている。そしてこの圧力測定値が目標値になるように、前記圧力制御部１９により、前記マスフローコントローラ１２及び前記調整バルブ１６の制御が行われる。このフィードバック制御によって、ガスセル１５の中は、最終的に所望かつ一定の圧力に保たれる。この圧力を"Ｐs"と表記する。
【００１７】
この状態で、前記赤外線光源Ｇから光を照射し、前記分光器あるいは干渉計Ｓをスペクトル走査させて、前記赤外線検出器Ｄによって、ガスセル１５を透過した光の強度を読み取る。このようにして、ガスセル１５に満たされた不純物の除かれた試料ガスの光強度のスペクトル強度を測定することができる。例えばアンモニアガスを試料ガスとし、不純物を水とした場合、水分が除去されたアンモニアガスの光強度スペクトルが得られる。
【００１８】
このようにして得られる、不純物の除かれた試料ガスの光強度のスペクトルは、光源Ｇの光量変動、検出器の感度変動などを補正するために役立つ。
図２は、検量線を作成するための、既知濃度の不純物を含む標準試料ガスを測定するための測定系を示す図である。
試料ボンベ１１から試料ガスを供給する系、ガスセル１５からガスを排出する系は、図１の構成と同じものを用いる。また、スペクトルの測定をする光学測定系も図１の構成と同様である。
【００１９】
図１と異なるところは、濃度既知の不純物ガスの入った不純物ボンベ２１と、マスフローコントローラ２２と、バルブ２３からなる系を設けて、不純物ガスをガスセル１５内に導入可能にしたことである。この経路を第二のガス導入系という。
以上の測定系において、試料ボンベ１１に蓄えられた試料ガス（例えばアンモニアガス）を、不純物精製器１３を通して、マスフローコントローラ１２によって流量を制御しながら、ガスセル１５の中に導入する。ガスセル１５の温度は図１の測定時の温度と同一とする。これと同時に、不純物ボンベ２１蓄えられた濃度既知の不純物ガス（例えば水蒸気）を、マスフローコントローラ２２によって流量を制御しながら、ガスセル１５の中に導入する。
【００２０】
２つのマスフローコントローラ１２，２２の流量の比を調整することにより、不純物ガスと試料ガスとの分圧比ｒを任意に設定することができる。試料ガスの圧力Ｐsに対して、設定される不純物ガスの分圧をＰiと書く。Ｐi＝ｒＰsである。
試料ガスと不純物ガスとの合計の圧力が、（Ｐi＋Ｐs）になるように、圧力制御部１９により、前記マスフローコントローラ１２，２２及び前記調整バルブ１６の制御を行う。
【００２１】
なお、Ｐiは、一般にＰsよりも３桁も４桁も小さな値であるので、実際にはＰiを無視して、試料ガスと不純物ガスとの合計の圧力が（Ｐi＋Ｐs）でなく、Ｐsになるように制御するのが実際的である。
このようにして、ガスセル１５内には、試料ガスが分圧Ｐsで存在し、不純物ガスが分圧Ｐiで存在することになる。
【００２２】
この状態で、前記赤外線光源Ｇから光を照射し、前記分光器あるいは干渉計Ｓをスペクトル走査させて、前記赤外線検出器Ｄによって、ガスセル１５を透過した光の強度を読み取る。このようにして、ガスセル１５に満たされた既知の濃度の不純物を含む試料ガスの吸収スペクトルを測定することができる。
例えばアンモニアガスを試料ガスとし、不純物を水とした場合、既知の濃度の水分を含むアンモニアガスの吸収スペクトルが得られる。
【００２３】
図３は、不純物である水蒸気の濃度が、アンモニアガスに対して100ppbになるように、水蒸気の分圧比を調整し、図１の測定系で測定した精製されたアンモニアガスの吸収スペクトルと、図２の測定系で測定した不純物である水を含むアンモニアガスの吸収スペクトルとを比較して掲載したグラフである。横軸は波数(cm-1)を示し、縦軸は光強度をあらわす任意目盛りである。横軸の波数の範囲は3870(cm-1)から3780(cm-1)までであり、これを波長に換算すると2583nmから2645nmになる。
【００２４】
図３によれば、わずかであるが、精製されたアンモニアガスの吸収スペクトルと水を含むアンモニアガスの吸収スペクトルとの違いが現れている。
図４は、両吸収スペクトルの比をとって、吸光度に変換したグラフである。縦軸は吸光度を表している。
ここで「吸光度」とは、ガスセル１５内に不純物を含まない試料ガスを入れて測定したときの光検出強度Ｒ0と、ガスセル１５内に不純物を含む試料ガスを入れて測定したときの光検出強度Ｒ1との比（Ｒ0／Ｒ1）の対数log（Ｒ0／Ｒ1）をいう。
【００２５】
この図４のグラフは、ガスセル１５内における濃度100ppbの水の吸光度スペクトルを表している。
吸光度／濃度測定部２０は、前記図４のスペクトルを、波長に対するデータとしてメモリ２０ａに記憶する。
そして、このようなデータを不純物の濃度をいろいろ変えながら多数取得する。すると、波長ごとに、不純物の濃度と吸光度との関係を表す曲線が得られる。この曲線を、「検量線」という。
【００２６】
なお、波長が違っても検量線の傾きはあまり変わらないと推測されるので、１つ又はそれ以上の代表的な波長に対する検量線を用いることができる。「代表的な波長」とは、不純物スペクトルが典型的なピークを示す波長とする。例えば、図４では、３８５４(cm-1)に最大のピークがあるので、この波長における検量線を用いるとよい。
図５は、濃度が未知の不純物を含む試料を測定する測定系を示す図である。この測定系は、基本的には図１の測定系と変わらないが、試料ガスから不純物を取り除くための不純物精製器を取り付けていないところが、図１と違っている。したがって、ガス入口ＩＮを通して、不純物を含む試料ガスがガスセル１５に導入される。不純物の濃度は未知とする。測定するときのガスセル１５の温度は、図１、図２の場合と同一とし、ガスセル１５内の圧力は、前述したＰsになるようにする。この図５の測定系で測定した強度スペクトルは、試料ガスと不純物ガスの混合ガスの強度スペクトルになっている。
【００２７】
本発明のガス中の不純物定量方法では、吸光度／濃度測定部２０において次のようなデータ処理を行う。
まず、図１の測定系で測定した強度スペクトルから図５の測定系で測定した強度スペクトルを割る。これにより、不純物ガス固有の吸光度スペクトルを知ることができる。
次に、この不純物ガスの吸光度スペクトルを、すでに作成してある検量線に適用して、不純物ガスの濃度を求める。
【００２８】
以上のようにして、濃度が未知の不純物ガスの濃度を求めることができる。
次に、前記測定系の変更例を説明する。図１、図２及び図５に示した測定系では、前記赤外線光源Ｇ、前記分光器あるいは干渉計Ｓ、前記赤外線検出器Ｄは、すべて室内の空気中に設置されていた。ところが、例えば水分、炭酸ガス、窒素酸化物などの赤外領域に吸収を持つ成分を測定対象とする場合、これらの成分は空気中に含まれているので、精度よく測定するためには、前記赤外線光源Ｇ、前記分光器あるいは干渉計Ｓ、前記赤外線検出器Ｄなどから、これらの空気中に含まれている成分を除外する必要がある。
【００２９】
そこで、前記赤外線光源Ｇ、前記分光器あるいは干渉計Ｓ、前記赤外線検出器Ｄなどを高気密性容器の内部に設置して、容器内を真空にするか、あるいは赤外に吸収を持たない高純度ガスで満たして、測定するようにした。
図６は、この前記赤外線光源Ｇ、前記干渉計Ｓ、前記赤外線検出器Ｄなどを高気密性容器内部に設置した測定系を示す図である。
【００３０】
同図において、ガス導入系などガスの流れる経路の図示は省略している。赤外線光源Ｇ及び干渉計Ｓは、光路中のスリット３２、集光レンズ３４とともに、高気密性容器３１の中に配置されている。高気密性容器３１の下部外壁には、真空コネクタ３７が設けられていて、ここに、電源部４４からの電源供給ケーブルなどが接続される。またジョイントＣ４に真空ポンプの吸込み口が接続される。
【００３１】
また、高気密性容器３１には、光透過窓３５を通してレーザ装置Ｌからのレーザ光が導入される。このレーザ光は、干渉計Ｓにおいて、特定波長の光を選択するために用いられる。なお、このレーザ装置Ｌを用いた干渉計Ｓの構造は、図１の構成でも適用可能なものである。
さらに、高気密性容器３１の側壁には、ガスセル１５に接続するためのジョイントＣ１が取り付けられている。ジョイントＣ１には、光透過窓４１が装着されている。ジョイントＣ１と光透過窓４１との接着箇所は、気密性が保たれている。したがって、ジョイントＣ１からの気体の漏れはなく、高気密性容器３１の中の気密を保つことができる。なお、４０は、ジョイントＣ１にガスセル１５を接続するためのＯリングである。
【００３２】
さらに、前記赤外線検出器Ｄを収納した高気密性容器３３が設けられている。３６は、高気密性容器３３内に前記赤外線検出器Ｄとともに収納された集光レンズである。この高気密性容器３３の下部外壁には、真空コネクタ３８が設けられていて、ここに、電源部４４からの電源供給ケーブルなどが接続される。またジョイントＣ３に真空ポンプの吸込み口が接続される。
【００３３】
高気密性容器３３の側壁にも、ガスセル１５に接続するためのジョイントＣ２が取り付けられている。ジョイントＣ２には、光透過窓４３が装着されている。ジョイントＣ２は、Ｏリング４０を備えていて、このＯリング４０によりガスセル１５との接続が行われる。さらにジョイントＣ２は、ガスセル１５との取り付け・取り外しを容易に行うために、光軸方向に移動可能である。４２は、この光軸方向への移動時に気体の漏れを防ぐためのＯリングである。
【００３４】
また、ジョイントＣ１の窓４１と、ガスセル１５の窓１５ｃとの間の空間、及びガスセル１５の窓１５ｂとジョイントＣ２の窓４３との間の空間に入った大気を除去するために、ジョイントＣ２のコネクタ４７に真空ポンプを接続することができる。これら２つの空間はガスセル１５に設けられた貫通孔４８により連通しているので、ジョイントＣ２のコネクタ４７に真空ポンプを接続するだけで、２つの空間の大気を同時に吸引できる。
【００３５】
本発明の実施の形態では、前記赤外線光源Ｇ、前記干渉計Ｓ、前記赤外線検出器Ｄ以外の主要な部材、例えば、前記レーザ装置Ｌ、電源部４４、前記パーソナルコンピュータなどは高気密性容器３１，３３の外側に配置する工夫をした。もし、これらのレーザ装置、電源部、コンピュータなどを高気密性容器３１，３３の内側に配置すれば、真空状態では熱の対流が極端に少なくなるので、レーザ装置、電源部、コンピュータなどの熱が外部に伝わらなくなり、高気密性容器３１，３３の内部の温度が異常に上がり、測定系に悪い影響を与えるからである。
【００３６】
以上の図６に示した測定系において、両高気密性容器３１，３３を排気して気圧を下げた状態（例えば１０-4〜１０-6Torr）で、図１から図５を用いて説明した方法で不純物ガスの吸光度スペクトルを測定すれば、空気中の赤外線吸収成分の影響を免れることができるので、より精密な吸光度測定が可能になる。
図７は、図６の測定系において、ジョイントＣ２とガスセル１５との結合を解除して、ガスセル１５を外した状態を示す図である。この状態で、ガスセル１５を他のガスセルと交換することができる。ジョイントＣ１，Ｃ２は、前述したように、高気密性容器３１，３３との気密性が保たれているので、ガスセルの交換時にも、高気密性容器３１，３３の真空度が低下することはない。したがって、交換が済めば、すぐに測定に入ることができる。
【００３７】
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではない。例えば、測定波長を今まで説明したよりも、長波長（４０μｍ）まで延ばすことにより、従来測定できなかった成分や、測定困難であった成分（例えばタングステン化合物やりん化合物）の測定が可能になる。この場合、ガスセルの光透過窓１５ｂ，ｃや、ジョイントＣ１，Ｃ２の光透過窓４１，４３や、干渉計Ｓの光透過部分を、当該波長領域を透過できる材料で作成する必要がある。例えば、干渉計Ｓの光透過部分をＣｓＩ（ヨウ化セシウム）とし、光透過窓にＫＲＳ−５（臭化タリウム45.7％＋ヨウ化タリウム54.3％）を用いることにより、赤外領域で安定した測定を行うことが可能となる（ＣｓＩは０．５から４０μｍの波長範囲で８０％以上の光透過率を示す光学材料であり、ＫＲＳ−５は３から４０μｍの波長範囲で７０％以上の光透過率を示す光学材料である）。
【００３８】
また、ジョイントＣ１の窓４１と、ジョイントＣ２の窓４３とを取り除くこともできる。この場合、ガスセル１５をジョイントＣ１，Ｃ２に接続することによって、高気密性容器３１，３３の気密性を保つことができる。２つの高気密性容器３１，３３は、ガスセル１５の貫通孔４８を通じて連通するので、いずれかの容器に真空ポンプを接続するだけで、全体を真空にすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】不純物を取り除いた試料ガス（リファレンス）の光強度を測定するための測定系を示す図である。
【図２】検量線を作成するための、既知濃度の不純物を含む標準試料ガスを測定するための測定系を示す図である。
【図３】不純物である水蒸気の濃度が、アンモニアガスに対して100ppbになるように、水蒸気の分圧比を調整し、図１の測定系で測定した精製されたアンモニアガスの吸収スペクトルと、図２の測定系で測定した不純物である水を含むアンモニアガスの吸収スペクトルとを比較して掲載したグラフである。
【図４】図３の両吸収スペクトルの比をとって、吸光度に変換したグラフである。
【図５】濃度が未知の不純物を含む試料を測定する測定系を示す図である。
【図６】赤外線光源Ｇ、干渉計Ｓ、赤外線検出器Ｄなどを高気密性容器内部に設置した測定系を示す図である。
【図７】図６の測定系において、ジョイントＣ２とガスセル１５との結合を解除して、ガスセル１５を外した状態を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１１ 試料ボンベ
１２ マスフローコントローラ
１３ 不純物精製器
１４ 開閉バルブ
１５ ガスセル
１６ 調整バルブ
１７ バキュームジェネレータ
１８ 圧力トランスデューサ
１９ 圧力制御部
２０ 吸光度／濃度測定部
２０ａ メモリ
２１ 不純物ボンベ
２２ マスフローコントローラ
２５ 高圧ガスボンベ
３１ 高気密性容器
３２ 光路中のスリット
３３ 高気密性容器
３４ 集光レンズ
３５ 光透過窓
３６ 集光レンズ
３７ 真空コネクタ
３８ 真空コネクタ
４０，４２ Ｏリング
４１ 光透過窓
４３ 光透過窓
４４ 電源部
４７ コネクタ
４８ 貫通孔
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４ ジョイント
Ｇ 赤外線光源
Ｌ レーザ装置
Ｓ 分光器あるいは干渉計
Ｄ 赤外線検出器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス中に混入した不純物の濃度を定量する方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
赤外分光光度計を用いたガス中の不純物定量方法において、微量の不純物ガスの濃度を測定する場合、主成分ガスの赤外吸収ピークが、微量ガス成分の赤外吸収ピークを妨害し、測定が極めて困難であった。
そこで、アンモニアガス中の微量水分濃度を、アンモニアと水分の赤外吸収が重ならない波数で測定する方法が提案されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開2001-228085号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、前記のアンモニアと水分の赤外吸収が重ならない波数で測定する方法でも、不純物ガス濃度がきわめて微量の場合、不純物ガスの赤外吸収スペクトルが、赤外吸収スペクトルに埋もれてしまい、不純物ガス濃度の測定が困難となる。
そこで、本発明は、不純物ガス濃度がきわめて微量であっても、不純物ガス濃度を正確に測定することのできるガス中の不純物定量方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明のガス中の不純物定量方法は、前記ガスから不純物を除去して、セルに導入して、そのセルを透過した光の光強度を測定し、既知の濃度の不純物を含むガスを同一体積のセルに導入して、前記測定と同一温度、同一圧力に保って、セルを透過した光の光強度を測定し、前記測定で得られた光強度どうしを割って、不純物の吸光度を求め、この不純物の吸光度を、不純物の濃度の関数として記憶しておき、濃度が未知の不純物を含むガスを同一体積のセルに導入して、前記測定と同一温度、同一圧力に保って、セルを透過した光の光強度を測定し、前記測定で得られた光強度どうしを割って、不純物の吸光度を求め、この吸光度を前記関数に適用して、不純物の濃度を求める方法である。
【０００５】
この方法によれば、不純物ガスが除去された試料ガスの吸収光強度をリファレンス測定し、既知の濃度の不純物ガスを含む試料ガスを同一温度、同一圧力、同一体積という条件のもとに置いて、その吸収光強度を測定する。そして、これらの光強度比（対数にした場合は差）を算出して、不純物の吸光度を求め、不純物の濃度の関数として記憶しておく。次に、未知の濃度の不純物ガスを含む試料ガスを同一温度、同一圧力、同一体積という条件のもとに置いて、その吸収光強度を測定する。不純物の吸光度を求め、前記記憶した関数に適用すれば、不純物の濃度を求めることができる。
【０００６】
したがって、試料ガスの影響が除かれた、不純物のみの濃度を正確に測定することができる。
また、本発明のガス中の不純物定量装置は、前記ガス中の不純物定量方法を実施するための装置であって、ガスを導入するためのセルと、セルに光を照射する光源と、セルを透過した光の強度を測定する検出器と、前記セルを一定温度に保つ保温手段と、前記セル内のガスを所定の圧力に調整する圧力調整手段と、不純物濃度を測定したい試料ガスをセルに導入するための第一のガス導入系と、既知の濃度の不純物を含むガスをセルに導入するための第二のガス導入系と、第一のガス導入系に設けられた、試料ガスから不純物を除去するための不純物除去器と、不純物除去器によって不純物を除去した前記ガスをセルに導入して、セルを透過した光強度を測定する第一の光強度測定手段と、既知の濃度の不純物を含むガスを前記セルに導入して、セルを透過した光強度を測定する第二の光強度測定手段と、前記第一の光強度測定手段の測定で得られた光強度から、前記第二の光強度測定手段の測定で得られた光強度を割って、不純物の吸光度を求め、この不純物の吸光度を、不純物の濃度の関数として記憶しておく記憶手段と、濃度が未知の不純物を含むガスを前記セルに導入して、セルを透過した光強度を測定する第三の光強度測定手段と、前記第一の光強度測定手段の測定で得られた光強度から前記第三の光強度測定手段の測定で得られた光強度を割って、不純物の吸光度を求め、この不純物の吸光度を前記記憶手段によって記憶された関数に適用して、不純物の濃度を求める濃度測定手段とを備えるものである。
【０００７】
このガス中の不純物定量装置は、前記ガス中の不純物定量方法と同一発明に係る装置であり、簡単な手順で、試料ガスの影響が除かれた、不純物のみの濃度を正確に測定することができる。
前記光源、前記検出器は、別々に気密性容器に収納することが好ましい。こうすれば、前記気密性容器を容易に真空にでき、前記不純物の吸収スペクトルの波長範囲に吸収を示さないガスで満たすことができる。これにより、前記光源や検出器の汚染を防ぐことができるので、測定される不純物スペクトルは、汚染の影響を受けることがなくなる。したがって、測定誤差が発生するのを防ぐことができる。
【０００８】
前記第１の気密性容器と前記セルとのジョイント部は、前記セルを外した状態で、前記第１の気密性容器の気密性を保つことができるものであり、前記第２の気密性容器と前記セルとのジョイント部は、前記セルを外した状態で、前記第２の気密性容器の気密性を保つことができるものであることが好ましい。この構造によれば、気密性容器の気密性を保ったままセルを容易に交換することができる。
【０００９】
前記光源又は検出器に電源を供給する電源部は、前記第１の気密性容器及び前記第２の気密性容器の外部に設置されていることが望ましい。これにより、発熱源である電源部からの放熱の効率が低下するのを防ぐことができる。
また本発明は、前記第一の光強度測定手段、第二の光強度測定手段、記憶手段、第三の光強度測定手段、及び濃度測定手段の各機能を実現するコンピュータを備え、前記コンピュータは、前記第１の気密性容器及び前記第２の気密性容器の外部に設置されていることが望ましい。この場合も、この場合も前記電源部と同様、コンピュータからの放熱の効率が低下するのを防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、不純物を取り除いた試料ガス（リファレンス）の光強度を測定するための測定系を示す図である。
同図において、試料ガスの入った試料ボンベ１１は、ガスの流量を調節するマスフローコントローラ１２、不純物を取り除くための不純物精製器１３及び開閉バルブ１４を通して、ガスセル１５のガス入口ＩＮにセットされる。この経路を第一のガス導入系という。
【００１１】
一方、ガスセル１５のガス出口ＯＵＴには調整バルブ１６、負圧を作るバキュームジェネレータ１７（圧力エジェクタでもよい）がつながれている。バキュームジェネレータ１７には、空気又は窒素の高圧ガスボンベ２５が接続されている。
ガスセル１５は、図１に示すように、筒状の一定容積のセル室１５ａと、このセル室１５ａの両端面に設けられた光透過窓１５ｂ，ｃとからなっている。セル室１５ａには、前記ガス入口ＩＮ及びガス出口ＯＵＴが設けられ、さらにセル室１５ａ内の圧力を測定するための圧力トランスデューサ１８につながるポートが設けられている。
【００１２】
前記マスフローコントローラ１２、調整バルブ１６及び圧力トランスデューサ１８は、圧力制御部１９に接続されている。圧力制御部１９は、圧力トランスデューサ１８の圧力測定値に基づいて、試料ガスの流量と調整バルブ１６の開閉度を調整することにより、ガスセル１５内の圧力を所定の圧力に保つ。
前記光透過窓１５ｂ，ｃは、例えば赤外線を透過させるサファイヤ透過窓である。
【００１３】
前記ガスセル１５は、所定温度に保ちやすいように、発泡スチロール等の断熱材（図示せず）で包囲されている。またガスセル１５の全体は、後述する赤外線光源Ｇ、分光器あるいは干渉計Ｓ、赤外線検出器Ｄとともに、保温容器（図示せず）に収納されている。保温容器内は、ヒータ又はペルチェ素子などにより一定温度に保たれる。
符号Ｇは、赤外線光源Ｇを示す。赤外線発生の方式は、任意のものでよく、例えばセラミックスヒータ（表面温度４５０℃）等が使用可能である。また、赤外線の波長を選択するための分光器あるいは干渉計Ｓが設けられている。なお、赤外線光源Ｇで発生した光を一定周期でしゃ断し通過させる回転するチョッパ（図示せず）を付加してもよい。
【００１４】
赤外線光源Ｇから照射され、前記光透過窓１５ｃを通してガスセル１５に入った光は、前記光透過窓１５ｂを通してガスセル１５から出射され、赤外線検出器Ｄによって検出される。前記赤外線検出器Ｄは、ＤｔＧｓ検出器（重水素トリグリシンサルフェイト検出器）、ＩｎＡｓ検出器又はＣＣＤ素子などからなる。
赤外線検出器Ｄの検出信号は、吸光度／濃度測定部２０により解析される。この解析方法は後述する。
【００１５】
なお、圧力制御部１９及び吸光度／濃度測定部２０は、パーソナルコンピュータから構成される。圧力制御部１９、吸光度／濃度測定部２０の処理機能は、ＣＤ−ＲＯＭやハードディスクなど所定の媒体に記録されたプログラムを、パーソナルコンピュータが実行することにより実現される。また、吸光度／濃度測定部２０に接続されるメモリ２０ａは、ハードディスクなどの記録媒体内に作られた、書き込み可能な設定ファイルにより実現される。
【００１６】
以上の測定系において、試料ボンベ１１に蓄えられた試料ガス（例えばアンモニアガス）は、不純物精製器１３の中の不純物吸収剤（例えばシリカゲルのような水分を吸収する薬品）によって、不純物（例えば水分）が除去され、ガスセル１５の中に導かれる。
ガスセル１５の中は、圧力トランスデューサ１８により圧力測定されている。そしてこの圧力測定値が目標値になるように、前記圧力制御部１９により、前記マスフローコントローラ１２及び前記調整バルブ１６の制御が行われる。このフィードバック制御によって、ガスセル１５の中は、最終的に所望かつ一定の圧力に保たれる。この圧力を"Ｐs"と表記する。
【００１７】
この状態で、前記赤外線光源Ｇから光を照射し、前記分光器あるいは干渉計Ｓをスペクトル走査させて、前記赤外線検出器Ｄによって、ガスセル１５を透過した光の強度を読み取る。このようにして、ガスセル１５に満たされた不純物の除かれた試料ガスの光強度のスペクトル強度を測定することができる。例えばアンモニアガスを試料ガスとし、不純物を水とした場合、水分が除去されたアンモニアガスの光強度スペクトルが得られる。
【００１８】
このようにして得られる、不純物の除かれた試料ガスの光強度のスペクトルは、光源Ｇの光量変動、検出器の感度変動などを補正するために役立つ。
図２は、検量線を作成するための、既知濃度の不純物を含む標準試料ガスを測定するための測定系を示す図である。
試料ボンベ１１から試料ガスを供給する系、ガスセル１５からガスを排出する系は、図１の構成と同じものを用いる。また、スペクトルの測定をする光学測定系も図１の構成と同様である。
【００１９】
図１と異なるところは、濃度既知の不純物ガスの入った不純物ボンベ２１と、マスフローコントローラ２２と、バルブ２３からなる系を設けて、不純物ガスをガスセル１５内に導入可能にしたことである。この経路を第二のガス導入系という。
以上の測定系において、試料ボンベ１１に蓄えられた試料ガス（例えばアンモニアガス）を、不純物精製器１３を通して、マスフローコントローラ１２によって流量を制御しながら、ガスセル１５の中に導入する。ガスセル１５の温度は図１の測定時の温度と同一とする。これと同時に、不純物ボンベ２１蓄えられた濃度既知の不純物ガス（例えば水蒸気）を、マスフローコントローラ２２によって流量を制御しながら、ガスセル１５の中に導入する。
【００２０】
２つのマスフローコントローラ１２，２２の流量の比を調整することにより、不純物ガスと試料ガスとの分圧比ｒを任意に設定することができる。試料ガスの圧力Ｐsに対して、設定される不純物ガスの分圧をＰiと書く。Ｐi＝ｒＰsである。
試料ガスと不純物ガスとの合計の圧力が、（Ｐi＋Ｐs）になるように、圧力制御部１９により、前記マスフローコントローラ１２，２２及び前記調整バルブ１６の制御を行う。
【００２１】
なお、Ｐiは、一般にＰsよりも３桁も４桁も小さな値であるので、実際にはＰiを無視して、試料ガスと不純物ガスとの合計の圧力が（Ｐi＋Ｐs）でなく、Ｐsになるように制御するのが実際的である。
このようにして、ガスセル１５内には、試料ガスが分圧Ｐsで存在し、不純物ガスが分圧Ｐiで存在することになる。
【００２２】
この状態で、前記赤外線光源Ｇから光を照射し、前記分光器あるいは干渉計Ｓをスペクトル走査させて、前記赤外線検出器Ｄによって、ガスセル１５を透過した光の強度を読み取る。このようにして、ガスセル１５に満たされた既知の濃度の不純物を含む試料ガスの吸収スペクトルを測定することができる。
例えばアンモニアガスを試料ガスとし、不純物を水とした場合、既知の濃度の水分を含むアンモニアガスの吸収スペクトルが得られる。
【００２３】
図３は、不純物である水蒸気の濃度が、アンモニアガスに対して100ppbになるように、水蒸気の分圧比を調整し、図１の測定系で測定した精製されたアンモニアガスの吸収スペクトルと、図２の測定系で測定した不純物である水を含むアンモニアガスの吸収スペクトルとを比較して掲載したグラフである。横軸は波数(cm-1)を示し、縦軸は光強度をあらわす任意目盛りである。横軸の波数の範囲は3870(cm-1)から3780(cm-1)までであり、これを波長に換算すると2583nmから2645nmになる。
【００２４】
図３によれば、わずかであるが、精製されたアンモニアガスの吸収スペクトルと水を含むアンモニアガスの吸収スペクトルとの違いが現れている。
図４は、両吸収スペクトルの比をとって、吸光度に変換したグラフである。縦軸は吸光度を表している。
ここで「吸光度」とは、ガスセル１５内に不純物を含まない試料ガスを入れて測定したときの光検出強度Ｒ0と、ガスセル１５内に不純物を含む試料ガスを入れて測定したときの光検出強度Ｒ1との比（Ｒ0／Ｒ1）の対数log（Ｒ0／Ｒ1）をいう。
【００２５】
この図４のグラフは、ガスセル１５内における濃度100ppbの水の吸光度スペクトルを表している。
吸光度／濃度測定部２０は、前記図４のスペクトルを、波長に対するデータとしてメモリ２０ａに記憶する。
そして、このようなデータを不純物の濃度をいろいろ変えながら多数取得する。すると、波長ごとに、不純物の濃度と吸光度との関係を表す曲線が得られる。この曲線を、「検量線」という。
【００２６】
なお、波長が違っても検量線の傾きはあまり変わらないと推測されるので、１つ又はそれ以上の代表的な波長に対する検量線を用いることができる。「代表的な波長」とは、不純物スペクトルが典型的なピークを示す波長とする。例えば、図４では、３８５４(cm-1)に最大のピークがあるので、この波長における検量線を用いるとよい。
図５は、濃度が未知の不純物を含む試料を測定する測定系を示す図である。この測定系は、基本的には図１の測定系と変わらないが、試料ガスから不純物を取り除くための不純物精製器を取り付けていないところが、図１と違っている。したがって、ガス入口ＩＮを通して、不純物を含む試料ガスがガスセル１５に導入される。不純物の濃度は未知とする。測定するときのガスセル１５の温度は、図１、図２の場合と同一とし、ガスセル１５内の圧力は、前述したＰsになるようにする。この図５の測定系で測定した強度スペクトルは、試料ガスと不純物ガスの混合ガスの強度スペクトルになっている。
【００２７】
本発明のガス中の不純物定量方法では、吸光度／濃度測定部２０において次のようなデータ処理を行う。
まず、図１の測定系で測定した強度スペクトルから図５の測定系で測定した強度スペクトルを割る。これにより、不純物ガス固有の吸光度スペクトルを知ることができる。
次に、この不純物ガスの吸光度スペクトルを、すでに作成してある検量線に適用して、不純物ガスの濃度を求める。
【００２８】
以上のようにして、濃度が未知の不純物ガスの濃度を求めることができる。
次に、前記測定系の変更例を説明する。図１、図２及び図５に示した測定系では、前記赤外線光源Ｇ、前記分光器あるいは干渉計Ｓ、前記赤外線検出器Ｄは、すべて室内の空気中に設置されていた。ところが、例えば水分、炭酸ガス、窒素酸化物などの赤外領域に吸収を持つ成分を測定対象とする場合、これらの成分は空気中に含まれているので、精度よく測定するためには、前記赤外線光源Ｇ、前記分光器あるいは干渉計Ｓ、前記赤外線検出器Ｄなどから、これらの空気中に含まれている成分を除外する必要がある。
【００２９】
そこで、前記赤外線光源Ｇ、前記分光器あるいは干渉計Ｓ、前記赤外線検出器Ｄなどを高気密性容器の内部に設置して、容器内を真空にするか、あるいは赤外に吸収を持たない高純度ガスで満たして、測定するようにした。
図６は、この前記赤外線光源Ｇ、前記干渉計Ｓ、前記赤外線検出器Ｄなどを高気密性容器内部に設置した測定系を示す図である。
【００３０】
同図において、ガス導入系などガスの流れる経路の図示は省略している。赤外線光源Ｇ及び干渉計Ｓは、光路中のスリット３２、集光レンズ３４とともに、高気密性容器３１の中に配置されている。高気密性容器３１の下部外壁には、真空コネクタ３７が設けられていて、ここに、電源部４４からの電源供給ケーブルなどが接続される。またジョイントＣ４に真空ポンプの吸込み口が接続される。
【００３１】
また、高気密性容器３１には、光透過窓３５を通してレーザ装置Ｌからのレーザ光が導入される。このレーザ光は、干渉計Ｓにおいて、特定波長の光を選択するために用いられる。なお、このレーザ装置Ｌを用いた干渉計Ｓの構造は、図１の構成でも適用可能なものである。
さらに、高気密性容器３１の側壁には、ガスセル１５に接続するためのジョイントＣ１が取り付けられている。ジョイントＣ１には、光透過窓４１が装着されている。ジョイントＣ１と光透過窓４１との接着箇所は、気密性が保たれている。したがって、ジョイントＣ１からの気体の漏れはなく、高気密性容器３１の中の気密を保つことができる。なお、４０は、ジョイントＣ１にガスセル１５を接続するためのＯリングである。
【００３２】
さらに、前記赤外線検出器Ｄを収納した高気密性容器３３が設けられている。３６は、高気密性容器３３内に前記赤外線検出器Ｄとともに収納された集光レンズである。この高気密性容器３３の下部外壁には、真空コネクタ３８が設けられていて、ここに、電源部４４からの電源供給ケーブルなどが接続される。またジョイントＣ３に真空ポンプの吸込み口が接続される。
【００３３】
高気密性容器３３の側壁にも、ガスセル１５に接続するためのジョイントＣ２が取り付けられている。ジョイントＣ２には、光透過窓４３が装着されている。ジョイントＣ２は、Ｏリング４０を備えていて、このＯリング４０によりガスセル１５との接続が行われる。さらにジョイントＣ２は、ガスセル１５との取り付け・取り外しを容易に行うために、光軸方向に移動可能である。４２は、この光軸方向への移動時に気体の漏れを防ぐためのＯリングである。
【００３４】
また、ジョイントＣ１の窓４１と、ガスセル１５の窓１５ｃとの間の空間、及びガスセル１５の窓１５ｂとジョイントＣ２の窓４３との間の空間に入った大気を除去するために、ジョイントＣ２のコネクタ４７に真空ポンプを接続することができる。これら２つの空間はガスセル１５に設けられた貫通孔４８により連通しているので、ジョイントＣ２のコネクタ４７に真空ポンプを接続するだけで、２つの空間の大気を同時に吸引できる。
【００３５】
本発明の実施の形態では、前記赤外線光源Ｇ、前記干渉計Ｓ、前記赤外線検出器Ｄ以外の主要な部材、例えば、前記レーザ装置Ｌ、電源部４４、前記パーソナルコンピュータなどは高気密性容器３１，３３の外側に配置する工夫をした。もし、これらのレーザ装置、電源部、コンピュータなどを高気密性容器３１，３３の内側に配置すれば、真空状態では熱の対流が極端に少なくなるので、レーザ装置、電源部、コンピュータなどの熱が外部に伝わらなくなり、高気密性容器３１，３３の内部の温度が異常に上がり、測定系に悪い影響を与えるからである。
【００３６】
以上の図６に示した測定系において、両高気密性容器３１，３３を排気して気圧を下げた状態（例えば１０-4〜１０-6Torr）で、図１から図５を用いて説明した方法で不純物ガスの吸光度スペクトルを測定すれば、空気中の赤外線吸収成分の影響を免れることができるので、より精密な吸光度測定が可能になる。
図７は、図６の測定系において、ジョイントＣ２とガスセル１５との結合を解除して、ガスセル１５を外した状態を示す図である。この状態で、ガスセル１５を他のガスセルと交換することができる。ジョイントＣ１，Ｃ２は、前述したように、高気密性容器３１，３３との気密性が保たれているので、ガスセルの交換時にも、高気密性容器３１，３３の真空度が低下することはない。したがって、交換が済めば、すぐに測定に入ることができる。
【００３７】
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではない。例えば、測定波長を今まで説明したよりも、長波長（４０μｍ）まで延ばすことにより、従来測定できなかった成分や、測定困難であった成分（例えばタングステン化合物やりん化合物）の測定が可能になる。この場合、ガスセルの光透過窓１５ｂ，ｃや、ジョイントＣ１，Ｃ２の光透過窓４１，４３や、干渉計Ｓの光透過部分を、当該波長領域を透過できる材料で作成する必要がある。例えば、干渉計Ｓの光透過部分をＣｓＩ（ヨウ化セシウム）とし、光透過窓にＫＲＳ−５（臭化タリウム45.7％＋ヨウ化タリウム54.3％）を用いることにより、赤外領域で安定した測定を行うことが可能となる（ＣｓＩは０．５から４０μｍの波長範囲で８０％以上の光透過率を示す光学材料であり、ＫＲＳ−５は３から４０μｍの波長範囲で７０％以上の光透過率を示す光学材料である）。
【００３８】
また、ジョイントＣ１の窓４１と、ジョイントＣ２の窓４３とを取り除くこともできる。この場合、ガスセル１５をジョイントＣ１，Ｃ２に接続することによって、高気密性容器３１，３３の気密性を保つことができる。２つの高気密性容器３１，３３は、ガスセル１５の貫通孔４８を通じて連通するので、いずれかの容器に真空ポンプを接続するだけで、全体を真空にすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】不純物を取り除いた試料ガス（リファレンス）の光強度を測定するための測定系を示す図である。
【図２】検量線を作成するための、既知濃度の不純物を含む標準試料ガスを測定するための測定系を示す図である。
【図３】不純物である水蒸気の濃度が、アンモニアガスに対して100ppbになるように、水蒸気の分圧比を調整し、図１の測定系で測定した精製されたアンモニアガスの吸収スペクトルと、図２の測定系で測定した不純物である水を含むアンモニアガスの吸収スペクトルとを比較して掲載したグラフである。
【図４】図３の両吸収スペクトルの比をとって、吸光度に変換したグラフである。
【図５】濃度が未知の不純物を含む試料を測定する測定系を示す図である。
【図６】赤外線光源Ｇ、干渉計Ｓ、赤外線検出器Ｄなどを高気密性容器内部に設置した測定系を示す図である。
【図７】図６の測定系において、ジョイントＣ２とガスセル１５との結合を解除して、ガスセル１５を外した状態を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１１ 試料ボンベ
１２ マスフローコントローラ
１３ 不純物精製器
１４ 開閉バルブ
１５ ガスセル
１６ 調整バルブ
１７ バキュームジェネレータ
１８ 圧力トランスデューサ
１９ 圧力制御部
２０ 吸光度／濃度測定部
２０ａ メモリ
２１ 不純物ボンベ
２２ マスフローコントローラ
２５ 高圧ガスボンベ
３１ 高気密性容器
３２ 光路中のスリット
３３ 高気密性容器
３４ 集光レンズ
３５ 光透過窓
３６ 集光レンズ
３７ 真空コネクタ
３８ 真空コネクタ
４０，４２ Ｏリング
４１ 光透過窓
４３ 光透過窓
４４ 電源部
４７ コネクタ
４８ 貫通孔
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４ ジョイント
Ｇ 赤外線光源
Ｌ レーザ装置
Ｓ 分光器あるいは干渉計
Ｄ 赤外線検出器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス中に混入した不純物の濃度を定量する方法であって、
(a)前記ガスから不純物を除去して、セルに導入して、そのセルを透過した光の光強度を測定し、
(b)既知の濃度の不純物を含むガスを同一体積のセルに導入して、前記(a)の測定と同一温度、同一圧力に保って、セルを透過した光の光強度を測定し、
(c)前記(a)の測定で得られた光強度から前記(b)の測定で得られた光強度を割って、不純物の吸光度を求め、この不純物の吸光度を、不純物の濃度の関数として記憶しておき、
(d)濃度が未知の不純物を含むガスを同一体積のセルに導入して、前記(a)及び前記(b)の測定と同一温度、同一圧力に保って、セルを透過した光の光強度を測定し、
(e)前記(a)の測定で得られた光強度から前記(d)の測定で得られた光強度を割って、不純物の吸光度を求め、この吸光度を前記関数に適用して、不純物の濃度を求めることを特徴とするガス中の不純物定量方法。
【請求項２】
ガス中に混入した不純物の濃度を定量する装置であって、
ガスを導入するためのセルと、
セルに光を照射する光源と、
セルを透過した光の強度を測定する検出器と、
前記セルを一定温度に保つ保温手段と、
前記セル内のガスを所定の圧力に調整する圧力調整手段と、
不純物濃度を測定したい試料ガスをセルに導入するための第一のガス導入系と、
既知の濃度の不純物を含むガスをセルに導入するための第二のガス導入系と、
第一のガス導入系に設けられた、試料ガスから不純物を除去するための不純物除去器と、
不純物除去器によって不純物を除去した前記ガスをセルに導入して、セルを透過した光強度を測定する第一の光強度測定手段と、
既知の濃度の不純物を含むガスを前記セルに導入して、セルを透過した光強度を測定する第二の光強度測定手段と、
前記第一の光強度測定手段の測定で得られた光強度から、前記第二の光強度測定手段の測定で得られた光強度を割って、不純物の吸光度を求め、この不純物の吸光度を、不純物の濃度の関数として記憶しておく記憶手段と、
濃度が未知の不純物を含むガスを前記セルに導入して、セルを透過した光強度を測定する第三の光強度測定手段と、
前記第一の光強度測定手段の測定で得られた光強度から前記第三の光強度測定手段の測定で得られた光強度を割って、不純物の吸光度を求め、この不純物の吸光度を前記記憶手段によって記憶された関数に適用して、不純物の濃度を求める濃度測定手段とを備えることを特徴とするガス中の不純物定量装置。
【請求項３】
前記光源を第１の気密性容器に収納し、前記検出器を第２の気密性容器に収納した状態で測定が可能な請求項２記載のガス中の不純物定量装置。
【請求項４】
前記第１の気密性容器と前記セルとのジョイント部は、前記セルを外した状態で、前記第１の気密性容器の気密性を保つことができ、
前記第２の気密性容器と前記セルとのジョイント部は、前記セルを外した状態で、前記第２の気密性容器の気密性を保つことができる請求項３記載のガス中の不純物定量装置。
【請求項５】
前記光源又は検出器に電源を供給する電源部は、前記第１の気密性容器及び前記第２の気密性容器の外部に設置されている請求項３又は請求項４記載のガス中の不純物定量装置。
【請求項６】
前記第一の光強度測定手段、第二の光強度測定手段、記憶手段、第三の光強度測定手段、及び濃度測定手段の各機能を実現するコンピュータが備えられ、
前記コンピュータは、前記第１の気密性容器及び前記第２の気密性容器の外部に設置されている請求項３から請求項５記載のガス中の不純物定量装置。
【請求項１】
ガス中に混入した不純物の濃度を定量する方法であって、
(a)前記ガスから不純物を除去して、セルに導入して、そのセルを透過した光の光強度を測定し、
(b)既知の濃度の不純物を含むガスを同一体積のセルに導入して、前記(a)の測定と同一温度、同一圧力に保って、セルを透過した光の光強度を測定し、
(c)前記(a)の測定で得られた光強度から前記(b)の測定で得られた光強度を割って、不純物の吸光度を求め、この不純物の吸光度を、不純物の濃度の関数として記憶しておき、
(d)濃度が未知の不純物を含むガスを同一体積のセルに導入して、前記(a)及び前記(b)の測定と同一温度、同一圧力に保って、セルを透過した光の光強度を測定し、
(e)前記(a)の測定で得られた光強度から前記(d)の測定で得られた光強度を割って、不純物の吸光度を求め、この吸光度を前記関数に適用して、不純物の濃度を求めることを特徴とするガス中の不純物定量方法。
【請求項２】
ガス中に混入した不純物の濃度を定量する装置であって、
ガスを導入するためのセルと、
セルに光を照射する光源と、
セルを透過した光の強度を測定する検出器と、
前記セルを一定温度に保つ保温手段と、
前記セル内のガスを所定の圧力に調整する圧力調整手段と、
不純物濃度を測定したい試料ガスをセルに導入するための第一のガス導入系と、
既知の濃度の不純物を含むガスをセルに導入するための第二のガス導入系と、
第一のガス導入系に設けられた、試料ガスから不純物を除去するための不純物除去器と、
不純物除去器によって不純物を除去した前記ガスをセルに導入して、セルを透過した光強度を測定する第一の光強度測定手段と、
既知の濃度の不純物を含むガスを前記セルに導入して、セルを透過した光強度を測定する第二の光強度測定手段と、
前記第一の光強度測定手段の測定で得られた光強度から、前記第二の光強度測定手段の測定で得られた光強度を割って、不純物の吸光度を求め、この不純物の吸光度を、不純物の濃度の関数として記憶しておく記憶手段と、
濃度が未知の不純物を含むガスを前記セルに導入して、セルを透過した光強度を測定する第三の光強度測定手段と、
前記第一の光強度測定手段の測定で得られた光強度から前記第三の光強度測定手段の測定で得られた光強度を割って、不純物の吸光度を求め、この不純物の吸光度を前記記憶手段によって記憶された関数に適用して、不純物の濃度を求める濃度測定手段とを備えることを特徴とするガス中の不純物定量装置。
【請求項３】
前記光源を第１の気密性容器に収納し、前記検出器を第２の気密性容器に収納した状態で測定が可能な請求項２記載のガス中の不純物定量装置。
【請求項４】
前記第１の気密性容器と前記セルとのジョイント部は、前記セルを外した状態で、前記第１の気密性容器の気密性を保つことができ、
前記第２の気密性容器と前記セルとのジョイント部は、前記セルを外した状態で、前記第２の気密性容器の気密性を保つことができる請求項３記載のガス中の不純物定量装置。
【請求項５】
前記光源又は検出器に電源を供給する電源部は、前記第１の気密性容器及び前記第２の気密性容器の外部に設置されている請求項３又は請求項４記載のガス中の不純物定量装置。
【請求項６】
前記第一の光強度測定手段、第二の光強度測定手段、記憶手段、第三の光強度測定手段、及び濃度測定手段の各機能を実現するコンピュータが備えられ、
前記コンピュータは、前記第１の気密性容器及び前記第２の気密性容器の外部に設置されている請求項３から請求項５記載のガス中の不純物定量装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−３００３２（Ｐ２００６−３００３２Ａ）
【公開日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２１０６９３（Ｐ２００４−２１０６９３）
【出願日】平成１６年７月１６日（２００４．７．１６）
【出願人】（０００２０６９６７）大塚電子株式会社 (50)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月１６日（２００４．７．１６）
【出願人】（０００２０６９６７）大塚電子株式会社 (50)
【Ｆターム（参考）】
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